微波檢疫對(duì)3種木材的物理力學(xué)性能影響研究

張健東，張菲，付立華

(河北省塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)，河北 圍場(chǎng) 068466)

木材作為四大建筑材料之一，具有強(qiáng)重比高，天然的紋理、光澤和顏色以及易于加工等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)建筑、家具、地板和室內(nèi)裝飾等方面，因此木材的尺寸穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度是衡量木制品質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一。黑胡桃木，白蠟?zāi)竞忘S楊木是價(jià)值較高的進(jìn)口闊葉材樹(shù)種，加工性能好，適宜制作家具、木制品及結(jié)構(gòu)材。黑胡桃木一般紋理直，有時(shí)也會(huì)帶有波紋，是一種中等密度的堅(jiān)韌硬木材，其抗彎強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度適中，剛性低，蒸汽彎曲性能良好；白蠟?zāi)?，質(zhì)地堅(jiān)韌而富有彈性，呈淺黃至淺黃褐色，木材強(qiáng)度高，彈性、沖擊韌性及硬度在同類的輕質(zhì)木材中較好[1]；黃楊屬樹(shù)種木材具有較強(qiáng)的抗蟲(chóng)耐腐性，而且容易鋸解,切削面極為光滑，油漆后表面則更加光亮美觀，膠粘容易，握釘力較強(qiáng)[2]。

由于近年來(lái)國(guó)內(nèi)天然林禁伐，進(jìn)口木材滿足了國(guó)內(nèi)對(duì)木材需求的同時(shí)，也加大了外來(lái)有害生物入侵的風(fēng)險(xiǎn)，我國(guó)木材檢疫處理的方法有熏蒸法、水浸法、熱處理法和微波處理法[3]。其中微波處理法作為一種有害生物處理技術(shù)，在口岸檢疫除害處理工作中備受重視，其高效、快速、選擇性、無(wú)污染和成本低的特性能夠有效除去木材中的有害生物[4]。但微波處理過(guò)程中木材內(nèi)部水分子被極化，迅速旋轉(zhuǎn)和相互摩擦產(chǎn)生大量的熱量，在短時(shí)間內(nèi)迅速蒸發(fā)形成水蒸氣，壓力增加使木材中的紋孔膜、閉塞的紋孔、復(fù)合胞間層、薄壁細(xì)胞等組織被破壞[5-6]，從而影響木材的物理力學(xué)性質(zhì)。

以黑胡桃木、白蠟?zāi)竞忘S楊木3種進(jìn)口木材為研究對(duì)象，探討微波檢疫處理對(duì)其物理性質(zhì)，尺寸穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度的影響，為企業(yè)合理高效加工利用，生產(chǎn)木制品提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

3種木材分別為進(jìn)口黑胡桃木、白蠟?zāi)竞忘S楊木，均取自大連港森立達(dá)木材交易中心有限公司，分為微波檢疫前后兩組，處理參數(shù)為采用微波介電加熱檢疫處理設(shè)備，915 MHz微波，輸出功率560 kW，處理?xiàng)l件為原木最低溫度65 ℃，保溫20 min。木材尺寸為500 mm×120 mm×25 mm(長(zhǎng)×寬×厚)，含水率為20%～25%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

101-2AB 電熱鼓風(fēng)干燥箱，HTC-250型恒溫恒濕培養(yǎng)箱，WDW-100E微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，電子天平(精度為0.01 g)、游標(biāo)卡尺(精度為0.01 mm)。

1.3 試驗(yàn)方法

物理性能：將微波檢疫前后的3種試材加工成尺寸為20 mm×20 mm×20 mm小試件，每組選出30個(gè)，根據(jù)《GB/T 1934.2-2009 木材濕脹性測(cè)定方法》，首先將試樣放入烘箱內(nèi)烘至絕干，冷卻后測(cè)出木材3個(gè)方向(軸向、徑向和弦向)的尺寸以及質(zhì)量；其次將試件放入恒溫恒濕箱中，在20℃、65%RH條件下對(duì)所有試件進(jìn)行平衡處理，在吸濕過(guò)程中，每隔6 h測(cè)量1次弦向尺寸變化，每次測(cè)量3個(gè)試件，直到2次測(cè)量結(jié)果之差小于0.2 mm，即認(rèn)為尺寸達(dá)到穩(wěn)定，再次測(cè)量所有試件3個(gè)方向的尺寸以及質(zhì)量。最后在30℃、85%RH條件下繼續(xù)重復(fù)上述試驗(yàn)過(guò)程直到試件尺寸不變，測(cè)量尺寸和質(zhì)量。計(jì)算試件的吸濕濕脹，平衡時(shí)的含水率以及阻濕率(MEE)和抗脹率(ASE)。

木材平衡時(shí)的含水率，弦向、徑向線濕脹率，體積濕脹率計(jì)算公式為(1)，(2)和(5)。評(píng)定木材的尺寸穩(wěn)定性是根據(jù)木材的阻濕率和抗脹率，計(jì)算公式為(3)和(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，W為木材平衡時(shí)的含水率(%)；m1為試件平衡時(shí)的重量(g)；m0為試樣絕干時(shí)的重量(g)；αW為3個(gè)方向的線濕脹率(%)；l1為試件平衡時(shí)3個(gè)方向的長(zhǎng)度尺寸(mm)；l0為試件全干時(shí)的3個(gè)方向的長(zhǎng)度尺寸(mm)；MD為未處理材的含水率(%)；MC為微波檢疫處理材的含水率(%)；αVC為微波檢疫處理材的體積濕脹率(%)；αVD為未處理材的體積濕脹率(%)；V1為試樣平衡時(shí)的體積(mm3)；V0為試樣絕干時(shí)的體積(mm3)。

力學(xué)性能：根據(jù)《GB/T 1936.1-2009 木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》和《GB/T 1936.2-2009 木材抗彎彈性模量試驗(yàn)方法》，將微波檢疫前后的3種木材加工成尺寸為300 mm×20 mm×20 mm的試件，每組選出30個(gè)，在20℃、RH 65%的條件下進(jìn)行平衡處理，使試樣的含水率在9%～15%的范圍內(nèi)，測(cè)量木材的力學(xué)強(qiáng)度，并根據(jù)公式(6)和(7)將數(shù)值轉(zhuǎn)化為含水率為12%的力學(xué)強(qiáng)度值。

E12=EW[1+0.015(W-12)] (6)

σ12=σW[1+0.04(W-12)] (7)

式中，E12和EW為含水率為12%和W時(shí)的抗彎彈性模量(GPa)；σ12和σW為含水率12%和W時(shí)的抗彎強(qiáng)度(MPa)。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波檢疫對(duì)木材尺寸穩(wěn)定性的影響

2.1.1 木材的濕脹率和抗脹率 3種木材微波檢疫前后在20℃、65% RH和30℃、85% RH條件下的濕脹率如圖1和圖2所示。

圖1 20℃、65%RH條件下3種木材的濕脹率Figure 1 The swelling efficiency at 20℃、 65%RH for three species of wood

圖2 30℃、85%RH條件下3種木材的濕脹率Figure 2 The swelling efficiency at 30℃、 85%RH for three species of wood

由圖1可知，在20℃、65%RH條件下，微波檢疫前黑胡桃木的弦向濕脹率、徑向濕脹率、體積濕脹率分別為2.44%、1.75%、4.51%，微波檢疫后分別為2.20%、1.60%、4.18%，變化率是9.84%、8.57%、7.32%。微波檢疫前白蠟?zāi)镜南蚁驖衩浡省较驖衩浡?、體積濕脹率分別為3.12%、2.15%、5.85%，微波檢疫后分別為2.86%、2.01%、5.15%，變化率是8.33%、6.51%、11.96%。微波檢疫前黃楊木的弦向濕脹率、徑向濕脹率、體積濕脹率分別為2.24%、1.61%、4.18%，微波檢疫后分別為2.13%、1.59%、4.02%，變化率是4.91%、12.42%、3.82%。

由圖2可知，在30℃、85%RH條件下，微波檢疫前黑胡桃木的弦向濕脹率、徑向濕脹率、體積濕脹率分別為4.45%、3.62%、7.70%，微波檢疫后分別為4.04%、3.42%、7.07%，變化率是9.21%、5.52%、8.18%。微波檢疫前白蠟?zāi)镜南蚁驖衩浡省较驖衩浡?、體積濕脹率分別為5.95%、3.82%、8.33%，微波檢疫后分別為5.33%、3.54%、7.26%，變化率是10.42%、7.33%、8.52%。微波檢疫前黃楊木的弦向濕脹率、徑向濕脹率、體積濕脹率分別為3.93%、2.92%、7.45%，微波檢疫后分別為3.71%、2.72%、7.11%，變化率是5.60%、6.85%、4.56%。

在2種溫濕度條件下，白蠟?zāi)镜臐衩浡首畲?，黃楊木的最小，其原因是白蠟?zāi)居休^大的基本密度，而黑胡桃的基本密度和黃楊木的基本密度較小，密度大的木材內(nèi)表面積越大，從絕干至纖維飽和點(diǎn)吸著的水分越多，導(dǎo)致其具有較強(qiáng)的濕脹性[1,7]。微波檢疫處理后3種木材的濕脹率都有所下降，而且隨著溫濕度的升高，下降的趨勢(shì)更加明顯。這可能是因?yàn)樵诖蠊β实奈⒉l件下，木材溫度急劇上升，導(dǎo)致了木材內(nèi)部的化學(xué)組分發(fā)生了改變，木材中半纖維素發(fā)生了熱解，同時(shí)纖維素?zé)o定形區(qū)結(jié)晶化，使木材內(nèi)具有親水性的游離羥基減少，從而降低了木材的吸濕性，木材具有抗脹性[8-9]。3種木材在不同溫濕度條件下的抗脹率如表1所示。

表1 微波檢疫對(duì)木材抗脹率的影響Table 1 Effect of microwave quarantine on anti-swelling efficiency of wood

由表1可知，在20℃、65%RH和30℃、85%RH2種條件下，白蠟?zāi)镜目姑浡首畲螅謩e為11.97%和12.85%；黑胡桃木次之，分別為7.32%和8.18%；黃楊木的最小，分別為3.83%和4.56%。3種木材的抗脹率隨著溫濕度的增加而提高，尺寸穩(wěn)定性得到有效改善。

2.1.2 木材的平衡含水率和阻濕率 木材的平衡含水率和阻濕率在2種環(huán)境條件下如表2所示。

表2 2種條件下木材的平衡含水率和阻濕率Table 2 EMC and MEE of wood at two set conditions

由表2可知，當(dāng)環(huán)境的平衡含水率分別為12%(20℃、65%RH)和17.48%(30℃、85%RH)時(shí)，黑胡桃木的平衡含水率分別為12.31%和17.65%，白蠟?zāi)镜钠胶夂史謩e為12.84%和17.39%，黃楊木的平衡含水率分別為12.62%和17.80%。微波檢疫后，三種木材的平衡含水率有所下降，黑胡桃木的平衡含水率分別為11.29%和16.04%，白蠟?zāi)镜钠胶夂史謩e為11.32%和15.09%，黃楊木的平衡含水率分別為12.24%和17.06%。3種木材具有一定的阻濕率，而且隨著環(huán)境的溫濕度增加，阻濕率也進(jìn)一步上升。其中白蠟?zāi)镜淖铦衤首畲螅瑑煞N條件下分別為11.82%和13.18%；黑胡桃木次之，分別為8.28%和9.12%；黃楊木的阻濕率最小，分別為2.97%和4.13%。這可能是因?yàn)樵诟邚?qiáng)度微波處理過(guò)程中，木材內(nèi)部溫度升高，木材中半纖維素發(fā)生熱解反應(yīng)，某些多糖容易裂解為糖醛和某些糖類的裂解產(chǎn)物[10-12]，這些物質(zhì)又能發(fā)生聚合作用生成不溶于水的聚合物，使親水性基團(tuán)的數(shù)量減少，而且纖維素的無(wú)定形區(qū)在高溫條件下脫去了大量的羥基基團(tuán)，限制了與水發(fā)生相互作用[13]，提高了木材的阻濕率。

2.2 微波檢疫對(duì)木材力學(xué)性能的影響

2.2.1 木材的抗彎彈性模量 3種木材微波檢疫前后的抗彎彈性模量(MOE)如表3所示。

由表3可知，所有試樣在20 ℃、65%RH(EMC=12%)條件下平衡處理之后測(cè)量力學(xué)強(qiáng)度，并根據(jù)公式(6)和(7)將抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為含水率為12%的條件并進(jìn)行對(duì)比分析。研究發(fā)現(xiàn)微波處理后使3種木材的抗彎彈性模量有所降低，即剛度有所下降。微波檢疫前，黑胡桃木抗彎彈性模量值范圍在5.97～16.81 GPa，平均值為11.78 GPa，變異系數(shù)為17.34%；白蠟?zāi)究箯潖椥阅Ａ恐捣秶?.77～14.6 GPa，平均值為11.8 GPa，變異系數(shù)為9.27%；黃楊木抗彎彈性模量值范圍在8.91～12.74 GPa，平均值為10.56 GPa，變異系數(shù)為8.67%。微波檢疫后，黑胡桃木抗彎彈性模量值范圍在8.19～13.38 GPa，平均值為11.05 GPa，變異系數(shù)為11.69%；白蠟?zāi)究箯潖椥阅Ａ恐捣秶?.82～14.45 GPa，平均值為11.59 GPa，變異系數(shù)為14.15%；黃楊木抗彎彈性模量值范圍在7.99～12.16 GPa，平均值為10.38 GPa，變異系數(shù)為9.44%。3種木材的抗彎彈性模量分別下降了6.2%，2.03%和1.7%，這可能微波處理之后木材內(nèi)部形成空穴，使細(xì)胞壁的柔性增加[13]。

表3 微波檢疫對(duì)3種木材抗彎彈性模量的影響Table 3 Effect of microwave quarantine on MOE for three species of wood

2.2.2 木材的抗彎強(qiáng)度 3種木材微波檢疫前后的抗彎強(qiáng)度(MOR)如表4所示。

表4 微波檢疫對(duì)3種木材抗彎強(qiáng)度的影響Table 4 Effect of microwave quarantine on MOR for three species of wood

由表4可知，3種木材的抗彎強(qiáng)度也略有降低。微波檢疫前，黑胡桃木抗彎強(qiáng)度值范圍在78.25～135.45 MPa，平均值為102.17 MPa，變異系數(shù)為10.08%；白蠟?zāi)究箯潖?qiáng)度值范圍在51.20～82.84 MPa，平均值為69.45 MPa，變異系數(shù)為10.30%；黃楊木抗彎強(qiáng)度范圍在49.15～66.92 MPa，平均值為55.06 MPa，變異系數(shù)為6.72%。微波檢疫后，黑胡桃木抗彎強(qiáng)度值范圍在70.70～120.74 MPa，平均值為95.95 MPa，變異系數(shù)為12.93%；白蠟?zāi)究箯潖?qiáng)度值范圍在44.96～81.21 MPa，平均值為65.47 MPa，變異系數(shù)為12.84%；黃楊木抗彎強(qiáng)度值范圍在48.28～62.05 MPa，平均值為54.96 MPa，變異系數(shù)為5.80%。3種木材的抗彎強(qiáng)度分別下降了6.08%，5.73%和0.18%，這主要是因?yàn)槲⒉ㄌ幚砗竽静膬?nèi)部水分汽化產(chǎn)生水蒸氣壓力有微裂紋的產(chǎn)生了微裂紋，微裂紋造成木材強(qiáng)度的降低[14-16]。由于3種木材均屬于闊葉材，闊葉材中的水分遷移通道主要是導(dǎo)管，導(dǎo)管細(xì)胞尺寸的大小和導(dǎo)管中的內(nèi)含物決定了水分遷移的速度。因此處理過(guò)程中水蒸氣壓力上升較慢，處理后的木材產(chǎn)生的破壞相對(duì)較小，對(duì)木材力學(xué)性質(zhì)造成的影響也較小。

3 結(jié)論與討論

木材在微波檢疫過(guò)程中，通過(guò)微波輻射以及微波處理導(dǎo)致木材內(nèi)部水分蒸發(fā)產(chǎn)生的高溫飽和蒸汽能夠有效處理白蟻、天牛幼蟲(chóng)和松材線蟲(chóng)等有害生物，以及消滅霉菌和木腐菌；但同時(shí)也會(huì)影響木材的管胞、導(dǎo)管以及木纖維等微觀構(gòu)造，宏觀上影響木材物理力學(xué)性質(zhì)[17-18]。

研究表明， 在20 ℃、65%RH和30 ℃、85%RH2種溫濕度條件下，由于白蠟?zāi)镜幕久芏却笥诤诤夷竞忘S楊木，因此其濕脹率最大，其次是黑胡桃木，最后是黃楊木。微波檢疫后3種木材的濕脹性均有所下降，隨著平衡環(huán)境的溫濕度增加，下降程度越大。木材的吸濕性降低，平衡含水率也相應(yīng)降低，木材的阻濕率增加。其中由于白蠟?zāi)镜幕久芏却笥诤诤夷竞忘S楊木，其抗脹率和阻濕率最大。微波檢疫過(guò)程中部分厚壁細(xì)胞的細(xì)胞壁被破壞，胞間層被撕裂，導(dǎo)致其內(nèi)表面積發(fā)生變化；同時(shí)木材中的極化水分子隨著高頻交變電磁場(chǎng)方向的變化而迅速旋轉(zhuǎn)、相互摩擦、產(chǎn)生熱量，使水分子本身發(fā)熱，再將熱量傳給木材，使木材的半纖維素發(fā)生熱解，纖維素的無(wú)定形區(qū)結(jié)晶化，木材的尺寸穩(wěn)定性有所提高。

微波檢疫后木材的抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度都有所下降，由于微波條件下水分子傳遞給木材的熱量使木材細(xì)胞壁中半纖維素和木質(zhì)素發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，纖維素的結(jié)晶度和聚合度有所降低，從而使木材軟化，塑性增大；而存在于胞間層的半纖維素也降解，從而破壞了木材三大素之間的分子聯(lián)結(jié)，導(dǎo)致胞間層被撕裂，破壞了木材細(xì)胞構(gòu)造，力學(xué)強(qiáng)度有所降低[19-20]。但微波檢疫對(duì)木材力學(xué)降低程度較小，建議在能夠殺蟲(chóng)滅菌的條件下，降低微波輸出功率，適當(dāng)減少處理時(shí)間，從而保證木材的力學(xué)強(qiáng)度。